UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
Estudos de calibração do modelo AVSWAT em bacias
hidrográficas do Sul de Minas Gerais, Serra da Mantiqueira
RENATO DE OLIVEIRA AGUIAR
PROF. DR. FERNANDO DAS GRAÇAS BRAGA DA SILVA Orientador
UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
RENATO DE OLIVEIRA AGUIAR
Dissertação apresentada ao Curso de Mestrado em Meio Ambiente e Recursos Hídricos da Universidade Federal de Itajubá - UNIFEI, como parte das exigências para a obtenção do título de Mestre em Meio Ambiente e Recursos Hídricos, sob orientação do Professor Dr. Fernando das Graças Braga da Silva.
AGRADECIMENTOS
Aos meus pais,
Por tudo que fizeram por mim.
À minha esposa Geiza e filha Yasmim,
por suportar o tempo que me ausentei devido às
atividades acadêmicas e pelo incentivo e ajuda que sempre me deram.
Aos meus colegas de trabalho do Departamento de Vigilância Sanitária e Epidemiológica de Cambuí,
que se sobrecarregaram de trabalho para que eu pudesse desenvolver várias atividades acadêmicas.
A todos os meus professores,
desde o primário até o mestrado,
que difundiram na minha cabeça valores que carregarei pelo resto de mina vida
Em especial ao meu orientador, professor Fernando Braga,
pela paciência e boa vontade comigo.
Somente alguém desenvolvido espiritualmente Poderia ter me ajudado tanto nas minhas limitações.
Lutar sempre, Vencer talvez, Desistir nunca.
SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ... 10 2. OBJETIVOS ... 12 2.1 Objetivos específicos ... 12 3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 13 3.1 Bacia hidrográfica... 13 3.2 Processos Hidrológicos ... 15 3.3 Processos hidrossedimentológicos ... 17 3.4 Modelos hidrológicos ... 21
3.4.1 Conceito e classificação dos modelos hidrológicos ... 21
3.4.2 Aplicação dos modelos hidrológicos ... 24
3.5 Estudo do modelo AVSWAT ... 26
3.6 Algumas aplicações do modelo AVSWAT ... 30
3.7 Parâmetros Climáticos ... 34
3.7.1 Parâmetros de Solo ... 35
3.7.2 Unidades de Resposta Hidrológica HRU’s ... 35
3.7.3 Parâmetros de Uso do Solo. ... 36
3.7.4 Curva Número ... 36
3.7.5 ArcView 3.2 ... 37
3.7.6 O SIG idrisi Andes ... 38
4. MATERIAL E MÉTODOS ... 40
4.1. Considerações iniciais ... 35
4.2 Localização da área de estudo e obtenção dos mapas ... 35
4.2.1 Materiais para a confecção dos mapas ... 36
4.2.2 Confecção do mapa de elevação digital do terreno (MDT)... 37
4.2.3 Confecção do mapa de uso e ocupação do solo... 38
4.2.4 Confecção do mapa de solos da região ... 40
4.2.5 Mapa de declividades da (BHRC) ... 41
4.3 Obtenção de informações regionais: clima, hidrologia ... 42
4.4 Análise de sensibilidade do modelo AVSWAT ... 47
4.5 Calibração e validação ... 47
5 RESULTADO E DISCUSSÕES ... 48
5.1 Geração da área de drenagem ... 48
5.2 Estudo das principais características da bacia ... 48
5.2.1 Forma da bacia... 48
5.2.2 Densidade de drenagem ... 49
5.3 Análise fluviométrica ... 49
5.3.1 Obtenção de dados ... 49
5.3.2 Análise dos postos fluviométricos da região e seleção ... 50
5.3.3 Obtenção da série de vazões mensais para o posto base ... 51
5.3.4 Obtenção da série de vazões mensais para o local de estudo ... 53
5.4 Análise dos dados obtidos em campo ... 54
5.5 Análise das estimativas de vazão... 56
5.6 Análise de sensibilidade ... 57
5.7 Calibração ... 61
5.8 Sedimentos ... 70
6. CONCLUSÕES ... 81
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 Adaptação dos usos do solo da bacia hidrográfica ...36
Tabela 2 Representatividade das classes de altitude da BHRC ...43
Tabela 3 Representatividade das classes de uso do solo na BHRC ...44
Tabela 4: Representatividade das classes de solo na BHRC ...45
Tabela 5 Representatividade das classes de declividade da BHRC ...46
Tabela 6 Postos pluviométricos utilizados ...47
Tabela 7 Dados dos postos selecionados para futura análise ...52
Tabela 8 Médias mensais históricas posto fluviométrico Fazenda da Guarda ...53
Tabela 9 Médias mensais históricas do posto auxiliar Cristina ...54
Tabela 10 Média da série histórica do local de estudo ...54
Tabela 11 Dados de tempo para as várias medições ...55
Tabela 12 Profundidades medidas em cada vertical ...56
Tabela 13 Parâmetros adotados pelo SWAT na simulação da variável vazão ...58
Tabela 14 Ranking de sensibilidade dos parâmetros / vazão ...61
Tabela 15 Vazões médias mensais observadas do Ribeirão Cachoeirinha ...62
Tabela 16 Valores de vazão calibrados nos parâmetros ALPHA_BF, ch_k2 e CN...69
Tabela 17 Valores de vazão calibrados solk, ch_n, gwmn, esco, SLOPE ...70
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Representação dos componentes do ciclo hidrológico ...15
Figura 2 Processo de funcionamento do AVSWAT...30
Figura 3 Esquema do funcionamento do AVSWAT ...34
Figura 4 Localização da área de estudo ...41
Figura 5 Mapa de elevação do terreno (MDT) da BHRC ...42
Figura 6 Mapa de Uso do Solo da BHRC ...44
Figura 7 Mapa de solos da (BHRC) ...45
Figura 8 Mapa de declividades da BHRC ...46
Figura 9 Forma da Bacia Hidrográfica do Ribeirão Cachoeirinha ...49
Figura 10 Forma da Bacia Hidrográfica utilizada como referência ...50
Figura 11 Postos fluviométricos com dados e utilizados ...51
Figura 12 Comportamento dos postos ...52
Figura 13 Correlação entre o posto base e o posto auxiliar ...53
Figura 14 Localização das verticais para a topobatimetria ...56
Figura 15 Localização do ponto de estudo ...57
Figura 16 Gráfico da vazão simulada e observada parâmetro ALPHA_BF(0,8) ...63
Figura 17 Gráfico da vazão simulada e observada parâmetro ALPHA_BF(0,007) ...63
Figura 18 Gráfico da vazão simulada e observada parâmetro ch_k2 (35) ...64
Figura 19 Gráfico da vazão simulada e observada parâmetro ch_k2 (145) ...64
Figura 20 Gráfico da vazão simulada e observada parâmetro CN (35) ...64
Figura 21 Gráfico da vazão simulada e observada parâmetro CN (95) ...65
Figura 22 Gráfico da vazão simulada e observada parâmetro SOL_K (2000) ...65
Figura 23 Gráfico da vazão simulada e observada parâmetro SOL_K (20) ...65
Figura 24 Gráfico da vazão simulada e observada parâmetro ch_n2 ...66
Figura 25 Gráfico da vazão simulada e observada parâmetro gwmn ...66
Figura 26 Gráfico da vazão simulada e observada parâmetro ESCO (094) ...67
Figura 27 Gráfico da vazão simulada e observada parâmetro ESCO (0,53) ...67
Figura 28 Gráfico da vazão simulada e observada parâmetro SLOPE (0,50) ...68
Figura 29 Gráfico da vazão simulada e observada parâmetro SLOPE (0,10) ...68
Figura 30 Gráfico da vazão simulada e observada parâmetro GW_DELA ...68
Figura 31 Gráfico da vazão simulada e observada parâmetro ECPO ...69
Figura 32 Mapa de perda de solo da BHRC mês de janeiro de 1999 ...72
Figura 33 Mapa de perda de solo da BHRC mês de fevereiro de 1999 ...74
Figura 34 Mapa de perda de solo da BHRC mês de março de 1999 ...75
Figura 35 Mapa de perda de solo da BHRC mês de abril de 1999 ...76
Figura 36 Mapa de perda de solo da BHRC mês de maio de 1999 ...77
Figura 37 Mapa de perda de solo da BHRC mês de junho de 1999 ...78
Figura 38 Mapa de perda de solo da BHRC mês de julho de 1999 ...79
Figura 39 Mapa de perda de solo da BHRC mês de agosto de 1999 ...80
Figura 40 Mapa de perda de solo da setembro de 1999 ...81
Figura 41 Mapa de perda de solo da BHRC mês de outubro de 1999 ...82
Figura 42 Mapa de perda de solo da BHRC sem mês de novembro de 1999 ...83
RESUMO
A Aplicação de modelos hidrológicos capazes de predizer o impacto de fontes difusas de poluição e do uso e ocupação do solo na qualidade das águas superficiais e subterrâneas tem auxiliado o estudo de processos naturais e antrópicos que ocorrem em bacias hidrográficas. Com esse objetivo, foi calibrado o modelo SWAT 2005 (Soil and Water Assessment Tool) para avaliar sua sensibilidade em bacias hidrográficas do sul de estado de Minas Gerais, no município de Santa Rita do Sapucaí, na região da Serra da Mantiqueira, tendo em vista sua aplicação em trabalho anterior, no mesmo local. O presente trabalho apresenta como foi calibrado o modelo SWAT voltado à previsão da produção e do transporte de sedimentos. O modelo SWAT apresentou boa capacidade de reproduzir as condições de produção de sedimentos na bacia estudada. A modelagem foi melhorada com a associação de análise de sensibilidade e calibração manual, verificando-se que o modelo SWAT realizou de forma aceitável as simulações de vazão e de produção de sedimentos. O estudo demonstrou um bom ajuste dos parâmetros de vazão simulados e observados. Houve necessidade de um estudo de estimativa de vazões reais. Os resultados sem calibração do modelo subestimaram tanto a vazão como perda de solo de janeiro a setembro de 1999, tendo superestimado ambas nos meses de outubro, novembro de dezembro.
ABSTRACT
The application of hydrologic models able to foretell the impact of diffused pollution sources and the usage and occupation of the ground in the quality of superficial waters and subterraneous have helped the study of natural and man-made processes which occurred in drainage basins. With this aim, it was calibrated the model SWAT 2005 (Soil and Water Assessment Tool) to evaluate its sensibility in drainage basins in the southern part of Minas Gerais, in Santa Rita do Sapucaí city, in the region of Mantiqueira Mountains, having in mind its application in a previous work in the same area. The present work shows how it was calibrated the model of SWAT aimed at the prediction and transport of sediments. The SWAT model has shown good capability of reproducing the conditions of production of sediments in the base where it was researched. The modeling has been improved with the association of analysis and sensibility and manual calibration, making sure that the SWAT model accomplished in an acceptable way the spillway simulations and the sediment productions. The study has shown a good adjustment of parameters of simulated and observed spillways. There was a need to study the estimate of real spillways. The results without calibration of the model underestimated both the spillway and the soil loss from January to December in 1999, having overestimated both in the months of October, November and December. Keywords: Watershed, AVSWAT, Calibration
1. INTRODUÇÃO
A exploração sustentável de bacias hidrográficas rurais tem sido constantemente prejudicada pela falta de um planejamento real que tenha como base o conhecimento da dinâmica dos recursos naturais (solo, água, balanço hídrico, clima, vegetação e relevo) para uma melhor avaliação do potencial de uso das terras, fazendo com que essa exploração tenha bases sustentáveis.
A realização de estudos hidrossedimentológicos em bacias e sub-bacias hidrográficas vem da necessidade de se compreender a dinâmica de funcionamento do balanço hídrico, os processos que controlam o movimento da água e os impactos de mudanças do uso do solo sobre a quantidade e qualidade da água.
O entendimento dos processos relacionados ao comportamento hídrico de uma bacia hidrográfica constitui uma importante etapa no gerenciamento ambiental desta bacia. Um destes processos considera o ciclo hidrossedimentológico e envolve as fases de remoção, transporte e deposição de material particulado. Os deslocamentos dos sedimentos carreados pelo escoamento superficial e outros processos acabam provocando a perda ou redistribuição pela bacia de consideráveis massas de solo, a ponto de alterar o ciclo hidrológico e afetar o uso, conservação e gestão da bacia hidrográfica.
No monitoramento de bacias hidrográficas os modelos hidrológicos, hidrossedimentológicos e de qualidade da água vem sendo desenvolvidos e implementados. Porém esses modelos têm limitações acerca das dificuldades em se trabalhar grande quantidade de dados de entrada, que caracterizam a bacia hidrográfica em estudo e que descrevem a complexidade dos sistemas naturais,
Pesquisadores tem reconhecido que a variabilidade espaço-temporal nas características da paisagem, incluindo solo, uso da terra, relevo e clima, afeta a resposta hidrológica do sistema físico, implicando em limitações na aplicação de modelos (MACHADO, 2002).
A utilização de modelos para a quantificação da produção de sedimentos e conseqüente arraste de partículas em bacias hidrográficas é de grande importância para profissionais da área de gerenciamento e planejamento ambiental. Os resultados do modelo podem ser utilizados no diagnóstico da situação e dinâmica de contaminação de uma bacia hidrográfica, servindo como ferramenta fundamental para se tomar medidas de controle e ou preventivas (NEVES, 2005).
Atualmente as principais técnicas usadas para avaliação da erosão em bacias hidrográficas é a Equação Universal de Perda de Solo (EUPS) e os modelos hidrossedimentológicos, sendo a primeira ferramenta como a mais utilizada, devido a sua simplicidade e pequena quantidade de informações de entrada necessárias. Em contrapartida podem não representar a complexidade das bacias hidrográficas. No caso dos modelos hidrossedimentológicos, embora representem processos bastante complexos a sua maior dificuldade reside na adaptação de modelos internacionais a nossa realidade.
Dentre estes modelos destaca-se o AVSWAT pela sua atualidade, abrangência e ter sido utilizado a algum tempo por pesquisadores do NUMMARH – Núcleo de Modelagem e Simulação em Meio Ambiente e Recursos e Sistemas Hídricos.
Para validação dos resultados obtidos por modelagem e dados de campo, uma ferramenta importante é a realização da calibração tradicional dos modelos. Trata-se normalmente de um processo inverso de comparação e ajustes de parâmetros de saída do modelo e medidos em campo. No período de calibração, as entradas do modelo são variadas até que um ajuste aceitável é obtido. O modelo é então processado com os mesmos parâmetros de entrada para o período de validação e um ajuste é determinado (ARNOLD, 2000). Uma vez calibrados os parâmetros do modelo, este deve ser validado para situações semelhantes às que se quer aplicá-lo. Os resultados da verificação indicam se o modelo foi capaz de reproduzir a série de dados não usados em sua calibração. Deste modo, este trabalho caminha no sentido de calibração de modelo hidrossedimentológico para bacias hidrográficas do sul do estado de Minas Gerais.
O presente estudo teve o intuito de realizar a calibração e a validação do modelo AVSWAT, que foi usado para simular e quantificar a perda de solo na bacia por processos de erosão hídrica, na bacia hidrográfica do Ribeirão Cachoeirinha, no município de Santa Rita do Sapucaí/MG.
2. OBJETIVOS
O objetivo principal do presente trabalho é realizar a calibração do modelo AVSWAT utilizado na Bacia hidrográfica do Ribeirão da Cachoeirinha em Minas Gerais. Tal atividade será feita com ferramenta do referido modelo. Serão utilizadas algumas informações do trabalho de Pereira (2010).
2.1 Objetivos específicos:
- Analisar e definir a metodologia de estimativa de vazão do Ribeirão Cachoeirinha;
- Definir os parâmetros a serem calibrados no modelo AVSWAT;
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 Bacia hidrográfica
A bacia hidrográfica pode ser definida como unidade física, caracterizada como uma área de terra drenada por um determinado curso d’ água e limitada perifericamente, pelo chamado divisor de águas.
LINSLEY & FRANZINI, (1978) enfocam a bacia hidrográfica como uma área de drenagem a montante de uma determinada seção no curso de água da qual aquela área é tributária, sendo essa área limitada por um divisor de águas que separa duas bacias adjacentes que pode ser determinado nas cartas topográficas. As águas superficiais originárias de qualquer ponto da área delimitada pelo divisor saem da bacia passando pela secção definida pelo ponto mais baixo do divisor, por onde passa também, forçosamente, o rio principal da bacia. Em geral considera-se que o divisor das águas subterrâneas coincide com o das águas superficiais; entretanto essa coincidência não se verifica em todos os casos, e substancial parcela de água pode se escoar de uma bacia para outra, subterraneamente.
Porém, o conceito de bacia de drenagem como um sistema hidrogeomorfológico é mais amplo e define a bacia de drenagem como uma área da superfície terrestre que drena água, sedimentos e materiais dissolvidos para uma saída comum, num determinado ponto de um canal fluvial.
A bacia pode desenvolver-se em diferentes tamanhos e podem ser desmembradas em um número qualquer de sub-bacias de drenagem, dependendo do ponto de saída considerado ao longo do seu canal coletor.
Segundo MOLDAN E CERNY (1994), a microbacia, do ponto de vista hidrológico, pode ser considerada como a menor unidade da paisagem capaz de interagir todos os componentes relacionados com a qualidade e disponibilidade de água como: atmosfera, vegetação natural, plantas cultivadas, solos, rochas subjacentes, corpos d’ água e paisagem circundante. Ambientalmente, pode-se dizer que a bacia hidrográfica é a unidade ecossistêmica e morfológica que melhor reflete os impactos das interferências antrópicas, tais como a ocupação das terras com as atividades agrícolas (JENKINS et al., 1994).
Definida desta forma, a bacia de drenagem comporta diferentes escalas, desde uma bacia de porte daquela drenada pelo rio Amazonas, até bacias com poucos metros quadrados que drenam para uma cabeceira de um pequeno canal erosivo. (COELHO NETTO, 2001)
Em função de suas características naturais, bacias hidrográficas têm se tornado importante unidade espacial utilizada para gerenciar atividades de uso e conservação dos recursos naturais, principalmente nas situações atuais de grande pressão sobre o ambiente em função do crescimento populacional e do desenvolvimento visando lucros imediatistas.
TUCCI (2001) afirma que a bacia hidrográfica pode ser considerada um sistema físico onde a entrada é o volume de água precipitado e a saída é o volume de água escoado pelo exutório, considerando-se como perdas intermediárias os volumes evaporados e transpirados e também os infiltrados profundamente.
SANTOS (2004), afirma que o critério de bacia hidrográfica é comumente usado porque constitui um sistema natural bem delimitado no espaço, composto por um conjunto de terras topograficamente drenadas por um curso d’água e seus afluentes, onde as interações, pelo menos físicas, são integradas e, assim, mais facilmente interpretadas. Este mesmo autor relata ainda que esta unidade territorial é entendida como uma “caixa preta”, onde os fenômenos e interações podem ser interpretados, a priori, pelo input e output (entrada e saída de informações). Neste sentido, são tratadas como unidades geográficas, onde os recursos naturais se integram, constituindo-se numa unidade espacial de fácil reconhecimento e caracterização. Não há qualquer área de terra, por menor que seja, que não se integre a uma bacia hidrográfica e, quando o problema central é a água, a solução deve estar estreitamente ligada ao seu manejo e manutenção.
Para BALTOKOSKI (2008), o conceito de bacia hidrográfica ajuda a colocar em perspectiva muitos dos problemas e conflitos em torno de sua utilização e preservação. Por exemplo, as causas e as soluções da poluição da água não serão controladas olhando-se apenas para dentro da água, pois, geralmente, é o gerenciamento incorreto da bacia hidrográfica que destrói os recursos aquáticos. A bacia de drenagem inteira deve ser considerada como a unidade de gerenciamento.
3.2 Processos Hidrológicos
O ciclo hidrológico pode ser melhor entendido e estudado tomando como referência uma bacia hidrográfica de menor magnitude (microbacia experimental), onde os componentes possam ser devidamente estabelecidos por meio de monitoramento, para melhor entendimento da dinâmica da água (SILVA, MELLO, 2005). Na Figura 1 representa-se o ciclo hidrológico com seus componentes principais.
Figura 1 Representação dos componentes do ciclo hidrológico. Fonte: Adaptado de Viola (2008).
O ciclo hidrológico é o fenômeno global de circulação fechada da água entre a superfície terrestre e a atmosfera, impulsionado fundamentalmente pela energia solar associada à gravidade e à rotação terrestre (TUCCI, 2007).
O principal componente de entrada no ciclo hidrológico é a precipitação (P) sendo responsável direta pela capacidade de produção de água da bacia. Ao precipitar-se, parte da água pode ser retida pela cobertura vegetal, cuja quantidade depende das características da cobertura vegetal (índice de área foliar, IAF), retida pelas folhas, escorrer pelos troncos e atingir o solo ou sofrer evaporação direta, além da parcela que atinge diretamente os corpos hídricos.
Como lembra VIOLA (2008), da parcela da precipitação que atinge a superfície do solo, uma parte se infiltra (I), redistribuindo-se no perfil do solo e, dependendo das condições de umidade do solo, podem vir a percolar (Dp), promovendo a recarga do aqüífero freático. Outra parcela, originada em situações onde a capacidade de infiltração é superada pela taxa de infiltração, escoa superficialmente, originando o escoamento superficial direto (Esd), que representa um dos constituintes do escoamento superficial (ES), restando ainda, uma contribuição do aqüífero livre ao escoamento, denominado escoamento subterrâneo (Esub), e a parcela que escoa pela camada superficial do solo, insaturada, junto às raízes, denominado escoamento subsuperficial (Ess). Este mesmo autor relata ainda, que pode haver, em situações de estresse hídrico das camadas superiores do solo, uma contribuição secundária, denominada ascensão capilar (Ac), oriunda de um fluxo ascendente originado do lençol freático.
Para fechar o ciclo, a água absorvida pelas plantas e aquela presente no solo sofrem um processo conjunto conhecido como evapotranspiração, onde ocorre evaporação (E) da água direta do solo e transpiração (T) das plantas a partir de seus mecanismos fisiológicos. A evapotranspiração nada mais é que a transferência de água, na forma de vapor, para a atmosfera, mediante consumo de energia solar (SILVA, MELLO, 2005).
O ciclo hidrológico corresponde à dinâmica da água, compreendendo seus diferentes estados físicos (líquido, vapor e sólido), ocupando diferentes ambientes terrestres, tais como solo, atmosfera, leitos naturais de corpos d’água, montanhas e outros. Esta dinâmica pode ser analisada em diferentes escalas como, global, continental, bacias hidrográficas internacionais, bacias hidrográficas nacionais, bacias com área de drenagem de centenas de hectares e microbacias experimentais (PINTO, 2011).
Estes processos que ocorrem na bacia hidrográfica estão intimamente ligados à qualidade da água no corpo hídrico. Em cada etapa do ciclo hidrológico a água entra em contato e, naturalmente, incorpora em sua composição, elementos existentes na atmosfera, solos, vegetação e rochas. Desta forma, a água que escoa na superfície ou no subsolo passa a ter impurezas orgânicas, inorgânicas e também traços de alguns metais dependendo da região abordada. Tais substâncias caracterizam qualitativamente as águas naturais.
3.3 Processos hidrossedimentológicos
A desagregação, movimento e deposição das partículas sólidas ocorrem devido à água, ao vento, à declividade da encosta e às correntes dos cursos d’água. Segundo CARVALHO (1994), a erosão hídrica é causada pelo escoamento superficial.
De forma geral, nas porções altas de uma bacia, há maior erosão e transporte de sedimentos. A erosão vai diminuindo da alta para a média bacia à medida que as declividades decrescem e as chuvas se tornam menos intensas, fora das regiões montanhosas. Na parte baixa da bacia há muita formação de colúvios, isto é, a maior parte dos sedimentos erodidos se distribui pelos terrenos. Vê-se, então, que a degradação dos solos predomina na alta bacia, enquanto a diminuição gradual predomina na parte baixa. (CARVALHO, 1994)
Em relação ao gradiente granulométrico existente nos cursos d’água de uma bacia hidrográfica, é possível observar que as cabeceiras dos rios são compostas por sedimentos de tamanhos maiores, como pedras, pedregulhos e seixos. À medida que são transportados, esses materiais vão se fracionando, transformando-se em sedimentos de granulometria menor, passando à areia grossa, média e fina gradativamente a jusante. (CARVALHO 1994).
A erosão é um processo natural que pode ser intensificada principalmente, a agentes antrópicos. Segundo MOTA (1995), as práticas agrícolas inadequadas, a ocupação incorreta das áreas, alterações no escoamento natural das águas, movimentos de terra e impermeabilizações de terrenos são as principais causas da erosão acelerada.
O deslocamento dos sedimentos carregados pelo escoamento superficial e outros processos, embora esporádicos, “acabam provocando o remanejo e a redistribuição pela bacia de ponderáveis massas de partículas sólidas, a ponto de poderem, eventualmente, alterar o ciclo hidrológico e, certamente, afetar o uso, a conservação e a gestão dos recursos hídricos” (BORDAS e SEMMELMANN, 2000).
A erosão dos solos é um processo que ocorre em duas fases: uma que constitui a remoção (detachment) de partículas, e outra que é o transporte desse material, efetuado pelos agentes erosivos. Quando não há energia suficiente para continuar ocorrendo o transporte, uma terceira fase acontece que é a deposição desse material transportado. Os processos resultantes da erosão pluvial estão intimamente relacionados aos vários caminhos tomados pela água da chuva, na sua passagem através da cobertura vegetal, e ao seu movimento na superfície do solo. (GUERRA, 2001).
De acordo com GUERRA (2001), o ciclo hidrológico é o ponto de partida do processo erosivo. Durante um evento chuvoso, parte da água cai diretamente no solo, ou porque não existe vegetação, ou porque a água passa pelos espaços existentes na cobertura vegetal. A ação das gotas da chuva diretamente, ou por meio de gotejamento das folhas, causa a erosão por salpicamento (splash). A água que chega ao solo pode ser armazenada em pequenas depressões ou se infiltra, aumentando a umidade do solo, ou abastece o lençol freático. Quando o solo não consegue mais absorver água, o excesso começa a se mover em superfície ou em subsuperfície, podendo provocar erosão, através do escoamento das águas. Essa água se infiltra no solo por meio da gravidade ou capilaridade e as taxas de infiltração podem variar bastante, em um mesmo local, em função de diferenças de estrutura ao longo do perfil, diferenças em graus de compactação e teor de umidade antecedente. (GUERRA, 2001).
O escoamento superficial ocorre durante um evento chuvoso, quando a capacidade de armazenamento da água no solo é saturada. Ele pode se dar caso a capacidade de infiltração seja excedida. O fluxo que escoa sobre o solo se apresenta, quase sempre, como uma massa de água com pequenos cursos anastomosados e, raramente, na forma de lençol de água, de profundidade uniforme. Esse fluxo de água tem que transpor vários obstáculos, que podem ser fragmentos rochosos e cobertura vegetal, os quais fazem diminuir sua energia. A interação entre o fluxo de água e as gotas de chuva que caem sobre esses fluxo pode aumentar ainda mais sua energia. (GUERRA, 2001). A quantidade de perda do solo, resultante do escoamento superficial, vai depender da velocidade e turbulência do fluxo. Igualmente importante é a distribuição espacial do fluxo.
Os processos resultantes da erosão pluvial estão intimamente relacionados aos vários caminhos tomados pela água da chuva, na sua passagem através da cobertura vegetal, e ao seu movimento na superfície do solo. (GUERRA, 2001).
De acordo com CUNHA (2001), a capacidade de erosão das margens e do leito fluvial, bem como o transporte e deposição da carga de sedimentos no rio dependem, dentre outros fatores, da velocidade da água, e a alteração das características do rio, modifica, de imediato, essas condições de transporte e deposição. As correntes fluviais podem transportar a carga sedimentar de diferentes maneiras (suspensão, saltação, e rolamento), de acordo com a granulometria das partículas (tamanho e forma) e as características da própria corrente (turbulência e forças hidrodinâmicas exercidas sobre as partículas).
A carga em suspensão constitui-se de partículas finas, silte e argila, que se conservam suspensas na água até a velocidade crítica, que corresponde à menor velocidade requerida para uma partícula de determinado tamanho movimentar-se. A carga do fundo é formada por partículas de tamanhos maiores (areia, cascalho ou fragmentos de rocha) que saltam ou deslizam ao longo do leito fluvial. A velocidade, nesse tipo de carga, tem participação reduzida, fazendo com que os grãos se movam lentamente. (CUNHA, 2001)
Os mecanismos dos processos erosivos básicos variam no tempo e no espaço, e a erosão ocorre a partir do momento em que as forças que removem e transportam materiais excedem aquelas que tendem a resistir à remoção. A espessura do solo pode estar relacionada ao controle das taxas de produção (intemperismo) e remoção (erosão) de materiais. Nas áreas onde os efeitos desses dois grupos de processos são iguais, há uma tendência de a espessura do solo permanecer a mesma ao longo do tempo. (GUERRA, 2005).
Segundo LOPES (2008) os processos hidrossedimentológicos são resultados da interação entre os processos hidrológicos e sedimentológicos. Sendo a água um dos principais geradores do desprendimento de partículas de rochas e solos que irão contribuir para a produção de sedimentos da bacia. VESTENA (2008) explica que os processos hidrossedimentológicos estão intimamente vinculados ao ciclo hidrológico e compreendem o deslocamento, o transporte e o depósito de partículas sólidas presentes na superfície da bacia hidrográfica.
Já o escoamento subsuperficial, segundo GUERRA (2001), afeta diretamente a erodibilidade dos solos, através de suas propriedades hidráulicas, influenciando o transporte de minerais em solução. Quando ocorre em fluxos concentrados, em túneis ou dutos, possui efeitos erosivos provocando o colapso da superfície situada acima, resultando na formação de voçorocas.
A quantidade e a qualidade dos recursos hídricos, que escoam pelo canal principal de uma bacia hidrográfica em condições naturais, dependem do clima e das características físicas e biológicas dos ecossistemas que a compõem. A interação contínua e constante entre a litosfera, a biosfera e a atmosfera, acabam definindo um equilíbrio dinâmico para o ciclo da água, o qual define em última análise as características e as vazões das águas. (BALDISSERA, 2005).
Este equilíbrio depende:
• Das quantidades e da distribuição das precipitações em uma bacia hidrográfica;
• Do balanço de energia, pois a evaporação de um solo cultivado é determinada pela fração da radiação solar que alcança sua superfície e pela vegetação natural que cobre a área que controla o balanço de energia;
• Da infiltração da água, a evapotranspiração e a vazão final, pois dependendo da fase de desenvolvimento da vegetação ou da cultura a evaporação e a transpiração se alternam como processos predominantes;
• Dos fatores geomorfológicos que regulam o tempo de permanência da água que depende da inclinação das secções transversais e longitudinais da bacia hidrográfica e; • Das formações geológicas que controlam o armazenamento da água no solo, no subsolo e determina o fluxo de base dos afluentes e do canal principal.
Segundo PAIVA & PAIVA (2003), a degradação das bacias hidrográficas pela ação antrópica, associada aos fenômenos naturais de precipitação, como os verificados nas regiões tropicais, resulta, em um intervalo de tempo, quantidades de solo (sedimento) que chegam aos rios e reservatórios, muito maiores que aquelas produzidas em centenas de anos em condições de equilíbrio natural.
Por isso, qualquer atividade antrópica que altere os fatores básicos que determinam o balanço hídrico, acaba por influir na disponibilidade dos recursos hídricos de uma bacia hidrográfica.
Em uma escala local e regional, entre as ações antrópicas que podem alterar o balanço hídrico, destacam-se o desmatamento, a mudança do uso e ocupação do solo e a construção de barragens. (BALDISSERA, 2005).
Os rios naturais não conduzem somente água, mas também sedimentos e a taxa de sedimento transportada esta intimamente relacionada com a forma e estabilidade do canal, e isso muitas vezes, infelizmente, não é levado em conta pela
engenharia. Por isso, é de fundamental importância, levar em consideração que a taxa de carga de sedimento transportado é uma variável a ser equacionada, em projetos de barragens, canais, reservatórios de acumulação ou qualquer obra hidráulica. A quantidade de sedimentos, disponível em toda a bacia hidrográfica, que a curto, médio ou longo prazo, total ou parcial chegará aos cursos d`água naturais e aos reservatórios, não pode ser desprezada no gerenciamento dos recursos hídricos.
Segundo XAVIER (2009), a quantidade de sedimentos transportada pelos rios, além de informar sobre as características e/ou estado da bacia hidrográfica, é de fundamental importância para o planejamento e aproveitamento dos recursos hídricos de uma região, seja para análise da viabilidade de utilização da água para abastecimento o irrigação, ou para o cálculo da vida útil de reservatórios.
Infelizmente, no Brasil, devido aos custos elevados, a rede sedimentométrica é precária ou inexistente em algumas regiões. Portanto, quando é necessário conhecer o impacto da presença dos sedimentos em corpos dàgua, utiliza-se de poucas medidas, não representativas, ou se utiliza processos de estimativas, tais como: equações de estimativas da perda de solo na bacia; ou de equações de transporte de sedimentos nos cursos dàgua. (PAIVA & PAIVA, 2003).
3.4 Modelos hidrológicos
3.4.1 Conceito e classificação dos modelos hidrológicos
A complexidade na dinâmica hidrossedimentológica de uma bacia hidrográfica torna a previsão dos processos hidrossedimentológicos impraticável. Porém através do monitoramento desses processos e adotando algumas leis empíricas e hipóteses, e com o auxilio da modelagem é possível simular cenários reais da dinâmica da bacia.
TUCCI (1998) define modelo como “a representação de algum objeto ou sistema, em uma linguagem ou forma de fácil acesso e uso, com o objetivo de entendê-lo e buscar suas respostas para diferentes entradas”.
O modelo hidrológico é uma ferramenta extremamente útil que permite, através da equacionalização dos processos, representar, entender e simular o comportamento de uma bacia hidrográfica (TUCCI, 1998). Entretanto, é impossível ou inviável traduzir todas as relações existentes entre os diferentes componentes da bacia hidrográfica em termos matemáticos. De fato, ou essas relações são extremamente complexas a ponto de
não existir uma formulação matemática capaz de descrevê-las completamente, ou apenas uma parte dos processos envolvidos nessas relações é parcialmente conhecida. Assim, na maioria dos casos, a modelagem hidrológica torna-se somente uma representação aproximada da realidade.
A bacia hidrográfica é o objeto de estudo da maioria dos modelos hidrológicos, reunindo as superfícies que captam e despejam água sobre um ou mais canais de escoamento que desembocam em uma única saída. A bacia pode constituir a unidade espacial para modelos agregados que consideram as propriedades médias para toda a bacia. Diversas abordagens podem ser consideradas na subdivisão da bacia a fim de considerar suas características espacialmente distribuídas (RENNÓ & SOARES, 2000).
Um modelo pode ser considerado como uma representação simplificada da realidade, auxiliando no entendimento dos processos que envolvem esta realidade. Os modelos estão sendo cada vez mais utilizados em estudos ambientais, pois ajudam a entender o impacto das mudanças no uso do solo e prever alterações futuras nos ecossistemas. (RENNÓ & SOARES, 2000).
Os modelos podem ser classificados sob diferentes aspectos. Comumente, os modelos são classificados, dentre outras formas, de acordo com o tipo de variáveis utilizadas na modelagem (estocásticos ou determinísticos), o tipo de relações entre essas variáveis (empíricos ou conceituais), a forma de representação dos dados (discretos ou contínuos), a existência ou não de relações espaciais (pontuais ou distribuídos), e a existência de dependência temporal (estáticos ou dinâmicos). (RENNÓ & SOARES, 2000).
Um modelo é dito estocástico quando pelo menos uma das variáveis envolvidas tem comportamento aleatório, ou seja, não é possível saber com certeza como irá se comportar. Caso os conceitos de probabilidade sejam negligenciados durante elaboração de um modelo, este será denominado determinístico, ou seja, o modelo segue uma lei definida que não é a lei da probabilidade.
Os modelos podem ser empíricos, quando utilizam relações baseadas em observações. Em geral, estes modelos são bastante simples e úteis no dia a dia. No entanto, são pouco robustos, uma vez que são específicos para aquela região para as quais as relações foram estimadas. Além disso, os modelos empíricos não possibilitam fazer simulações de mudanças em condições para os quais o modelo não previu, tais como, chuvas extremamente altas, mudança de uso do solo, etc. Os modelos podem ser também baseados em processos (modelos conceituais) e, em geral, são mais complexos
que os empíricos, uma vez que procuram descrever todos os processos que envolvem determinado fenômeno estudado (RENNÓ & SOARES, 2000).
Podem ser contínuos ou discretos: no primeiro caso, diz-se que é quando os fenômenos são contínuos no tempo enquanto no segundo caso, é quando as mudanças de estado se dão em intervalos discretos.
Os modelos podem ainda ser classificados como pontuais (concentrados ou agregados) ou distribuídos. Em modelos pontuais, considera-se que todas as variáveis de entrada e saída são representativas de toda área estudada. Por outro lado, os modelos distribuídos consideram a variabilidade espacial encontrada nas diversas variáveis do modelo. De maneira geral, alguma discretização do espaço é feita e consequentemente cada elemento pode ser tratado como um ponto que representa homogeneamente toda sua área. Modelos distribuídos mais realísticos consideram também a existência de relação espacial entre elementos vizinhos. (RENNÓ & SOARES, 2000).
Finalmente, os modelos podem ser estáticos quando, com um conjunto de dados de entrada produz-se um resultado oriundo da resolução das equações do modelo em um único passo. Já modelos dinâmicos utilizam o resultado de uma iteração como entrada para uma próxima iteração. (RENNÓ & SOARES, 2000).
Para MACHADO (2002), o modelo de simulação, de um modo geral, pode ser definido como a representação de um sistema através de equações matemáticas, ou seja, consiste em representar matematicamente o que acontece na natureza a partir de um modelo conceitual, idealizado com base nos dados de observação do sistema real, e que o objetivo de tal modelagem é então, compreender melhor o sistema e prever situações futuras, algumas vezes também reproduzir o passado, para direcionar as ações de decisão.
Dentre os tipos de modelos existentes na área de recursos hídricos, os matemáticos têm diversas aplicações, como a quantificação de processos do ciclo hidrológico na análise de qualidade das águas em rios, reservatórios, aqüíferos subterrâneos, nos processos hidráulicos do escoamento da água em rios, mares e subsolo e nos modelos ambientais e meteorológicos. (NEVES, 2005).
NEVES (2005) define ainda que os modelos matemáticos de simulação permitem uma grande flexibilidade por possibilitarem que um sistema qualquer seja representado matematicamente em modelos computacionais, alem de possibilitar a análise no nível de detalhamento requerido.
Para MINOTI (2006), os modelos permitem avaliar e compreender o comportamento de processos que possam indicar o aparecimento de impactos negativos. Muitas vezes permitem visualizar o comportamento futuro do sistema com a criação de cenários ainda não explorados em experimentos reais, alertando o pesquisador para novas alternativas de pesquisas futuras ou para testes mais direcionados, reduzindo gastos e esforços.
Ressalta-se que modelos hidrológicos e de qualidade da água vem sendo desenvolvidos para predizer o impacto da agricultura na qualidade e quantidade das águas superficiais e subterrâneas, com a vantagem de que a aplicação de modelos reside na possibilidade do estudo de vários cenários diferentes, tais como os piores cenários possíveis e diferentes tipos de manejo e práticas conservacionistas, com baixo custo e de forma rápida.
No Brasil vários modelos vêm sendo aplicados com o objetivo de estimar as perdas de solo e o planejamento para fins conservacionistas, alguns adequando equações desenvolvidas no exterior para as características do local de uso das equações, para outras realidades de solos e uso e ocupação. Progressos importantes têm sido registrados com a união dos modelos de simulação com o geoprocessamento.
3.4.2 Aplicação dos modelos hidrológicos e hidrossedimentológicos
O modelo hidrológico SWRRB (Simulator for Water Resources in Rural Basins, foi desenvolvido pela ARS (USDA Agricultural Researchs Services) para simulação e previsão de processos hidrológicos em bacias hidrográficas rurais. È bastante utilizado para prever os efeitos do uso e manejo do solo no volume de água escoada e produção de sedimentos.
MALDONADO et al. (2001) realizou a calibração e validação do modelo SWRRB em uma bacia de 2,67 ha na Guatemala encontrando em uma análise de regressão linear entre os dados observados e simulados, coeficientes de correlação 0,98 e 0,88, na calibração e validação respectivamente, do escoamento superficial. A partir dos bons coeficientes encontrados, foram gerados diferentes cenários para vinte anos de desenvolvimento na bacia, considerando alternativas para seu gerenciamento.
O AGNPS (Agricultural Non-Point Source Model) é modelo desenvolvido no começo dos anos 80 também pela ARS em cooperação com outras agencias ambientais
dos EUA. Foi largamente aplicado em todo mundo na investigação de vários problemas de qualidade da água (BOSH et al., 1998).
CHOWDARY et al. (2001), aplicou o modelo AGNPS em bacias hidrográficas com diferentes áreas, utilizando para sua calibração e validação dados observados de até três anos. Utilizou também técnicas de geoprocessamento e sensoriamento remoto e todos consideraram um modelo apto na simulação do volume de escoamento, produção de sedimentos e qualidade da água (especialmente nutrientes).
Outro modelo bastante difundido é o WEPP (Water Erosion Prediction Project) desenvolvido pelo Departamento de Agricultura dos Estados Unidos (USDA). É um modelo desenvolvido para pequenas bacias hidrográficas baseado nos processos hidrológicos e de erosão. Utiliza parâmetros distribuídos e simulação contínua, dividindo a bacia em células e canais, possibilitando a determinação espacial e temporal da perda de solos.
DUIKER, FLANAGAN e LAL (2001) aplicaram o modelo WEPP em uma bacia hidrográfica na região sul da Espanha com o objetivo de determinar as características da erodibilidade e da infiltração de cincos tipos de solos regionais, e concluíram que a perda de solo está altamente correlacionada com a quantidade de silte e areia fina, indicando que a erodibilidade desses solos é determinada por propriedades semelhantes a solos de mesma classe dos Estados Unidos. Contudo estes autores verificaram que a equação de erodibilidade entresulcos do modelo superestima a erodibilidade, indicando necessidade de desenvolver uma equação de erodibilidade para a região do Mediterrâneo.
BESKOW et al. (2009) relatam que o modelo WEPP é capaz de simular o clima, o crescimento vegetal e decomposição de resíduos vegetais, plantio direto, infiltração, balanço de água no solo, escoamento superficial, perda de solos, deposição e transporte de sedimentos para diferentes intervalos de tempo.
O LISEM (Limburg Soil Erosion Model) é outro modelo utilizado para simulação do comportamento hidrológico e transporte de sedimentos. É um modelo de base física que permite simular o comportamento hidrológico e o transporte de sedimentos durante e imediatamente após um evento único de chuva (BESKOW et al., 2009).
GOMES (2008) aplicou o modelo LISEM na bacia hidrográfica do Ribeirão Marcela, região do Alto Rio Grande MG, Brasil, com objetivo de calibrar e validar o modelo para alguns eventos de precipitação e sedimentos. O autor concluiu que o
LISEM apresenta alta sensibilidade ao conteúdo de umidade do solo antecedente aos eventos de precipitação, sendo este o principal parâmetro calibrado, e que o LISEM se mostra pouco confiável a simulações hidrológicas de eventos isolados de precipitação que utilizam diretamente os parâmetros de calibração obtidos de outros eventos, mesmo que de igual intensidade e volume precipitado. Constatou-se ainda que o LISEM não produziu resultados satisfatórios para eventos cuja intensidade de precipitação foi menor ou igual à capacidade de infiltração de água no solo, porém mostrou adequado quando aplicados a eventos de precipitação cuja intensidade superou os 30 mm h-1.
Segundo BESKOW et al. (2009), os processos incorporados no LISEM são: precipitação, interceptação, armazenamento de superfície em micro-depressões, infiltração, circulação vertical de água no solo, escoamento superficial e o fluxo do canal.
Os modelos hidrológicos e de qualidade da água têm se desenvolvido satisfatoriamente nos últimos anos. Atualmente existem modelos que tratam apenas de alguns processos hidrológicos como escoamento, chamado de modelos chuva-vazão e modelos que envolvem diversos processos como escoamento, transporte de sedimentos, crescimento vegetal, qualidade da água entre outros, os quais são mais complexos e envolvem um número maior de variáveis de entrada. (PINTO, 2011).
Dentre os modelos empíricos a Equação Universal de Perdas de Solos (USLE) é a que possui maior divulgação em estudos de predição de perdas de solos (Wischmeier & Smith, 1978), principalmente pela facilidade de manejo de dados e baixo custo (Molnar & Julién, 1998;Sánchez, 2002; Silva et al., 2004).
A escolha do modelo a ser aplicado pelo usuário depende de diversos fatores como dados disponíveis, a capacidade de tal modelo representar as características do sistema em estudo, capacidade do usuário em operar o modelo, entre outros.
Um modelo bem conhecido é o SWAT (Soil and Water Assessment Tool). O SWAT foi desenvolvido em 1996, nos EUA, pelo Agricultural Research Service na Texas A&M University. O SWAT incorpora grande parte dos avanços dos contidos nos modelos citados anteriormente e objetiva predizer o impacto do uso e manejo do solo sobre o clico hidrológico, transporte de sedimentos e qualidade da água em bacias hidrográficas.
Silva et. al. (2005), avaliaram a perda de solo em sub-bacias hidrográficas da região de Descalvado a partir do modelo AVSWAT.
Silva et. al. (2006) realizaram trabalho para a estimativa de perda de solo com o uso do modelo AVSWAT para bacias da região de Luís Antônio – SP, 2006. Em tal trabalho, realizaram-se simulações com o referido modelo, estabelecendo-se cenários de perda de solos com diferentes coberturas .
3.5 Estudo do modelo AVSWAT
O modelo SWAT foi desenvolvido pelo serviço de pesquisa agrícola – ARS, dos Estados Unidos, no Texas, para predizer o impacto de mudanças no uso do solo para a água e sedimentos. Ele requer informações específicas sobre solos, topografia, clima e práticas de uso do solo dentro da bacia. O SWAT é uma ferramenta proveitosa, porque as bacias podem ser modeladas sem que haja nenhum dado monitorado. E também pode simular grandes bacias em um tempo relativamente curto. (SRINIVASAN & ARNOLD, 1994).
Para DI LUZIO (2000), o modelo AVSWAT foi concebido para ajudar gestores de recursos hídricos. O AVSWAT melhora a eficiência da análise da avaliação de poluição pontual e não pontual e seu controle em escala de bacia hidrográfica.
Vários modelos físicos de parâmetros distribuídos têm sido modificados e utilizados, no Brasil e ao redor do mundo, para prever o escoamento superficial, a erosão e o transporte de sedimentos e nutrientes em bacias hidrográficas submetidas a diferentes manejos. Entre esses modelos, o “soil and water assessment tool” (SWAT), é o mais recente, utilizado com sucesso na simulação do escoamento, das cargas de sedimentos e da qualidade da água em bacias hidrográficas. MINOTI, (2006).
O SWAT considera a bacia dividida em sub-bacias com base no relevo, solos e uso do solo e, desse modo, preserva os parâmetros espacialmente distribuídos da bacia inteira e as características homogêneas dentro da bacia. Cada sub-bacia pode ser parametrizada pelo SWAT usando uma série de Unidades de Resposta Hidrológicas (Hydrologic Response Units – HRU`s), de modo a refletir as diferenças de tipos de solo, cobertura vegetal, topografia e uso do solo, sendo possível a subdivisão de centenas à milhares de células, cada célula representando uma sub-bacia.
A utilização de sub-bacias pode ser particularmente benéfica quando diferentes áreas da bacia são dominadas por solos ou usos diferentes, o que resulta em diferenças nas suas características hidrológicas.
A interface ArcView/SWAT, possibilita a entrada de arquivos no modelo para serem gerados, como criar arquivos de entrada usando os grids e as tabelas do ArcView, e a saída de arquivos para serem analisados usando as capacidades espaciais do ArcView, como exibir os resultados usando tabelas, gráficos e mapas do ArcView.
Algumas características do modelo SWAT podem ser levadas em contas, de acordo com ARNOLD et.al (1998) & NEITCH et. al (2002):
• O modelo requer informações específicas sobre o clima, as propriedades do solo, a topografia, a vegetação e as práticas de manejo do solo que ocorrem na bacia hidrográfica. Os processos físicos associados ao movimento da água, movimento dos sedimentos, crescimento de culturas, ciclagem de nutrientes, entre outros, são diretamente modelados pelo modelo utilizando esses dados de entrada. Os aspectos positivos dessa característica do modelo, é que bacias hidrográficas sem dados de monitoramento também podem ser modeladas; • É computacionalmente eficiente, podendo simular extensas bacias hidrográficas sem gastos excessivos de tempo;
• É um modelo contínuo capaz de simular os efeitos das mudanças no uso e manejo do solo em longos períodos de tempo. Em alguns processos, os resultados apenas são obtidos após a simulação de décadas;
• O modelo não requer calibração caso não existam informações disponíveis e de qualidade (a calibração não é possível em bacias hidrográficas não instrumentadas).
NEITSCH et al. (2005) relatam que o modelo SWAT é o resultado da incorporação de vários modelos desenvolvidos pelo Agricultutal Research Service (ARS) e uma evolução direta da união dos simuladores Simulator for Water Resources in Rural Basins.
Outro fato importante a ser destacado, é que desde a criação do SWAT, na década 90, o modelo tem sido continuamente aprimorado, resultando em novas versões do simulador, com rotinas específicas principalmente na simulação da qualidade da água. Entre as versões já testadas e aprovadas destacam-se: SWAT 94.2, SWAT 96.2,SWAT 98.1, SWAT 99.2, SWAT 2000 e SWAT 2005, versão esta adotada para os estudos deste trabalho. As melhorias mais significativas do modelo, entre as versões, podem ser encontradas na documentação teórica do modelo, escrito por Neitsch et al. (2005). Além dessas modificações, foi desenvolvido também, uma interface em
ambiente Windows para atuar como ferramenta do software ArcGis (ENVIRONMENTAL SYSTEMS RESEARCH INSTITUTE - ESRI, 1998). Ao utilizar a interface com o ArcGis o simulador recebe o nome de ArcSWAT. Diferentes versões do ArcSWAT são disponibilizadas gratuitamente compatibilizando-as com as versões do ArcGis adotadas pelo usuário.
Utilizando a classificação proposta por TUCCI (2005), descrita anteriormente, Garrido (2003), identificou o SWAT como um modelo de simulação matemática contínuo, semidistribuído, determinístico e semiconceitual.
Segundo NEITSCH et al. (2005), ao invés de trabalhar com equações de regressão, para descrever o relacionamento das variáveis, o modelo SWAT requer informações específicas sobre a qualidade da água, propriedades do solo, topografia, vegetação e práticas de manejo que ocorrem na bacia. Fisicamente o processo é associado ao movimento de água, movimento de sedimentos, crescimento de plantas, ciclagem de nutrientes, os quais são diretamente modelados pelo SWAT.
O SWAT é baseado em uma estrutura de comandos para propagar o escoamento, sedimentos e agroquímicos através da bacia. Os maiores componentes do modelo incluem hidrologia, clima, sedimentos, temperatura do solo, crescimento de plantas, nutrientes, pesticidas e manejo agrícola. O componente hidrológico do modelo inclui sub-rotinas de escoamento superficial, percolação, fluxo lateral subsuperficial, fluxo de retorno do aqüífero raso e evapotranspiração. O modelo requer dados diários de precipitação, temperatura máxima e mínima do ar, radiação solar e umidade relativa ((NEITSCH et al., 2005).
O modelo é então composto pelos seguintes elementos: i – Clima: possibilita a geração estocástica de dados climáticos através de um algoritmo baseado na cadeia de Markov para uma localidade específica, tais como precipitação, temperatura, velocidade do vento e radiação solar; ii – Hidrologia: calcula infiltração, movimento da água no solo, umidade relativa, balanço hídrico diário, fluxo subsuperficial lateral, escoamento superficial e retorno do fluxo; iii – Crescimento das plantas: simula as mudanças temporais das plantas e resíduos, tais como altura da copa, profundidade da raiz e biomassa produzida pelas plantas; iv – Solos: requer parâmetros físicos (profundidade do perfil e horizontes, textura, entre outros) e hídricos como condutividade hidráulica e disponibilidade de água por horizonte; v – Processo de erosão/sedimentação: governado pela MUSLE (Equação de Perda Universal de Solo Modificada) que utiliza o escoamento para simular a erosão e produção de sedimentos; vi – Nutrientes e
pesticidas: o modelo simula o comportamento para a variável encosta e a propagação no canal fluvial; vii – Manejo: permite que o usuário indique o tipo, início e fim do manejo para que o modelo possa simular sua variação temporal e viii – Irrigação: item opcional que está inserido no modelo (DURÃES, 2010).
O seu sistema hidrológico é composto por quatro volumes: (1) reservatório superficial; (2) reservatório subsuperficial; (3) reservatório subterrâneo – aqüífero raso; (4) reservatório subterrâneo – aqüífero profundo. A contribuição destes reservatórios para o escoamento superficial provém do escoamento lateral a partir do perfil do solo e do escoamento de retorno do aqüífero raso. O volume que percola do reservatório subsuperficial, através do perfil do solo, representa a recarga do aqüífero raso. A água que percola para o aqüífero profundo não retorna para o sistema (MACHADO, 2002). Nas figuras 2 e 3 pode-se visualizar os processos representados pelo modelo SWAT.
Como relatado por GARRIDO (2003) o SWAT é um modelo semidistribuído e permite a divisão da bacia hidrográfica em sub-bacias, as quais podem ser parametrizadas pelo modelo usando uma série de unidades de resposta hidrológica (Hydrologic Response Units – HRUs). Esssa discretização permite ao modelo refletir diferenças na cobertura vegetal, tipos de solo, topografia uso atual do solo.
Essas HRUs são partes da sub-bacia que possuem uma única combinação de uso do solo/solo/manejo. Uma ou mais combinações de uso do solo/solo podem ser criadas para cada sub-bacia. Subdividir a bacia em áreas contendo combinações únicas possibilita ao modelo refletir diferenças na evapotranspiração e outras condições hidrológicas para diferentes usos e solos. O escoamento é calculado para cada HRU e propagado para obter o escoamento total para a sub-bacia. Isso pode aumentar a precisão das predições e fornecer uma melhor descrição física do balanço de água na bacia (ARNOLD et al., 1998).
FIGURA 2: Processo de funcionamento do AVSWAT. Fonte: MACHADO (2002)
3.6 Algumas aplicações de simulação e calibração do modelo AVSWAT
O SWAT é um modelo que gradualmente vem ampliando suas fronteiras no ambiente científico, pois possui um perfil de modelagem que engloba diversos componentes hidrológicos, tornando-o um modelo versátil para auxiliar órgãos públicos na tomada de decisão diante de situações conflitantes do uso do solo que resultam em intensos processos degradação (CHU et al., 2005).
Serão apresentados neste item, algumas aplicações do modelo AVSWAT, no Brasil e no mundo, envolvendo simulações de vazões, transporte de sedimentos e qualidade da água.
FOHRER et.al (1999), aplicaram o SWAT a dois distintos canários de uso e ocupação do solo para a região da Alemanha, afim de simular o efeito sobre o balanço
hídrico. Em comparação com os outros estudos feitos na região com a utilização de outros modelos, e o uso dos mesmos cenários, os resultados foram satisfatórios.
BENITES, et.al (2000), utilizaram o modelo SWAT na bacia do rio “El Tejocote”, localizada em Atlacomulco, no México, com a finalidade de comparar os valores simulados e observados da produção de água, sedimentos, consumo médio e biomassa durante o período de 1980 a 1985, chegando a resultados satisfatórios.
PAPAGALLO et.al (2003), encontraram resultados de qualidade de água compatíveis entre os simulados pelo SWAT e os dados observados na Bacia Hidrográfica de Celone Creek a sudoeste da Itália, concluindo como sendo de grande importância o modelo SWAT para avaliar impactos do uso do solo e especialmente de poluição difusa.
MOLINA (2005), utilizou o AVSWAT aplicado à bacia do rio Chama, na Venezuela, com o objetivo de comprovar o comportamento do modelo, em relação à produção de água e regimes hídricos utilizando a simulação para um período de 7 anos, e compará-los com os resultados observados.
ABRAHAM et al. (2007), testaram o modelo em bacias hidrográficas tropicais, a fim de ser capaz de explicar os processos hidrológicos para as condições etíopes. Os resultados mostraram que o SWAT foi capaz de simular bem as características hidrológicas da bacia do Rio Meiki, na África.
YAYA (2007) utilizou o modelo com o objetivo de avaliar e quantificar os rendimentos de sedimentos na bacia hidrográfica do rio Root, afluente do rio Mississipi, EUA, e sugerir alguns cenários para reduzir as cargas de sedimentos e poluentes. Foram simulados para três tipos de cultura, alfafa, milho e soja. O modelo revelou que a cultura de milho foi a que mais demonstrou perda de sedimentos na bacia.
Silva et al. (2007) estimaram a produção de sedimentos usando dois modelos de perdas de solo acoplados em um SIG, um de base empírica a EUPS – Equação Universal de Perdas de Solo (WISCHMEIER e SMITH, 1978), e outro de base física o KINEROS – Kinematic Runoff‐Erosion Model (WOOLHISER et al., 1990). Este estudo teve como objetivo avaliar a aplicabilidade desses modelos em bacias hidrográficas na costa litorânea do Nordeste do Brasil. Os resultados obtidos em ambos os modelos foram considerados satisfatórios para a bacia estudada.
PANDEY et.al. (2009), fizeram uma investigação para identificar as sub-bacias
críticas para o desenvolvimento do melhor plano de gestão para uma pequena bacia hidrográfica do Leste da Índia utilizando um modelo hidrológico, a saber, AVSWAT
2000. Um total de 180 combinações de diferentes tratamentos de gestão, incluindo as culturas (arroz, milho e soja, amendoim), plantio direto e adubos foram avaliados. O trabalho revelou que o arroz, por exemplo, não pode ser substituído por outras culturas como o amendoim e milho, por exemplo, pois estas outras culturas, devido às práticas de preparo do arado, geram um impacto maior no desprendimentos de sedimentos.
CHIANG et al. (2010) avaliaram os impactos causados pela pastagem na qualidade da água na bacia hidrográfica do rio Lincoln, noroeste de Arkansas, EUA, através do modelo SWAT. Esta é uma das 13 bacias do CEAP (Conservation Effects Assessment Project), programa ambiental onde os órgãos americanos estão aplicando as BMPs para promover uma melhoria na qualidade da água. Dados de uso do solo de 1992 a 2004 foram utilizados na avaliação. Os resultados mostraram que alterações no uso do solo de vegetação nativa para pastagens propiciaram um aumento de 499 kg.ha-1 de sedimentos e de 3,99kg.ha- 1 nas cargas de nitrato. Os autores concluíram que os impactos na alteração do solo e as práticas conservacionistas devem ser quantificadas para se ter uma imagem verdadeira do sucesso do programa CEAP nas bacias, pois desde sua implantação em 1992 na bacia do rio Lincoln, as alterações do uso do solo vem ocorrendo gradativamente a cada ano sem serem quantificadas.
No Brasil, OLIVEIRA (1999) aplicou o modelo SWAT na bacia hidrográfica do rio Joanes, na Bahia, com área de aproximadamente 755 km2, para avaliar as alterações hidrossedimentológicas provocadas pelos diferentes usos do solo. A Autora concluiu que a redução da vegetação nativa e o aumento da urbanização incrementaram as perdas de solo em aproximadamente 17% em 13 anos de simulações. Dessa forma, os resultados obtidos permitiram avaliar de forma quantitativa os efeitos da alteração no uso do solo devido à substituição da vegetação nativa por outras, bem como os efeitos da urbanização na bacia hidrográfica.
MACHADO (2002) e Machado, Vettorazzi e Xavier (2003), utilizaram o modelo SWAT para simular cenários alternativos de uso do solo na micro-bacia do ribeirão Marins em Piracicaba (SP) obtendo uma redução na produção de sedimentos pela bacia de 10,8% no cenário 1, quando foram respeitadas as áreas de preservação permanente nas margens de rios e em lagoas e uma redução de 94% no aporte de sedimentos no cenário 2, quando a área de pastagem foi substituída por vegetação nativa, mostrando dessa forma a necessidade de se tratar a paisagem de uma bacia num aspecto global, identificando as áreas sensíveis, onde são necessárias práticas de controle dos processos erosivos.
GARRIDO (2003) utilizou o modelo AVSWAT para avaliação das conseqüências das alterações no uso da terra e construção de represas nas características hidrossedimentológicas da bacia hidrográfica do Rio Joanes, estado da Bahia repercussões na zona costeira, utilizando a versão SWAT 96.2.
MORO (2005) utilizou o SWAT para avaliar a produção de sedimentos e o volume de escoamento superficial em uma micro bacia na região de Piracicaba, SP. Os resultados encontrados mostram-se satisfatórios indicados pelo alto COE (0,90) na simulação do volume de escoamento superficial. Na produção de sedimentos o modelo também apresentou bons ajustes visto que o COE encontrado foi de 0,83, concluindo que o modelo SWAT é capaz de simular escoamento e sedimentos mesmo quando aplicados à pequenas bacias hidrográficas.
BALDISSERA (2005) aplicou o modelo SWAT na bacia hidrográfica do rio Cuiabá, Mato Grosso, com intuito de simular as vazões médias mensais. A autora utilizou 5 postos fluviométricos instalados ao longo do rio Cuiabá para a calibração e validação do modelo e o período de 1994 a 1998 e 1999 a 2001 para calibração e validação respectivamente. Apesar do COE indicar valores abaixo de 0,5 na maioria dos postos de observação (3), a autora concluiu que em 2 postos o modelo foi adequado (COE=0,71) e que o modelo é uma ótima ferramenta de gestão dos recursos hidricos.
NEVES (2005) estimou a produção de sedimentos relacionando-os com dejetos de animais e potencial contaminação dos corpos aquáticos nas diversas áreas da microbacia do Rio Bonito, em Descalvado, Estado de São Paulo. Nesse estudo foi levado em conta a concentração e a distribuição local de granjas, visto ser uma atividade marcante na região, considerando o manejo dos dejetos e as práticas agrícolas de cada área.
O modelo SWAT foi aplicado por UZEICA (2009) em uma bacia hidrográfica rural no município de Arvorezinha, RS, com objetivo de avaliar a produção de sedimentos sob 3 condições de uso e manejo do solo. Os resultados mostraram não haver diferença no volume de escoamento superficial entre os cenários adotados e uma redução de até 30 % do aporte de sedimentos, quando o cenário foi o cultivo mínimo, comparando com o sistema convencional.
Figura 3: Esquema do funcionamento do AVSWAT, DI LUZIO, 2002
3.7 Parâmetros Climáticos
Segundo PEREIRA (2010), Para a alimentação do modelo com os dados climáticos, estes dividem-se em dois tipos: dados diários e dados mensais. Os dados diários utilizados são as médias diárias ou somas diárias relacionadas aos seguintes fatores: precipitação, temperatura do ar, velocidade do vento, radiação solar e umidade relativa do ar.
Já os dados mensais utilizados são médias (do respectivo mês) referentes a todos os anos simulados. As variáveis climáticas solicitadas pelo modelo são: localização geográfica da estação, altitude, número de anos dos dados acumulados, média mensal de temperatura máxima diária (TMPMX), média mensal de temperatura mínima diária (TMPMN), desvio padrão para a temperatura máxima diária de cada mês (TMPSTDMX), desvio padrão para a temperatura mínima diária de cada mês (TMPSTDMN), média mensal da precipitação total (PCPMM) desvio padrão para a precipitação diária do mês (PCPSTD), probabilidade de dia úmidos seguidos de dias
